[논문]지오그리드 복합 배수재를 이용한 터널 배수성능 개선에 관한 실험적 연구

이준석; 최일윤; 임지훈; 윤석철

doi:10.9711/ktaj.2016.18.1.031

문제 정의

본 연구에서는 숏크리트의 표면 거칠기에 따른 투수량 저감효과를 검증하기 위하여 ASTM D4716-08 및 KS K ISO 12958에 근거한 소규모 실내 실험장치를 제작하였으며, 배수효과를 증대시킬 수 있도록 일반 배수재 사이에 지오그리드를 접합한 합성 배수재의 특성을 살펴보았다. 실제 관련규격은 평평한 바닥면을 이용하여 층류 흐름을 유지한 후 배수재의 일반적인 특성을 파악하도록 규정되어 있으나, 본 연구에서는 숏크리트 표면의 특성을 검토하기 위하여 매끈한 표면 외에 거칠기가 관련 규정을 초과하는 경우에 대해서도 함께 고려하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 배수재의 특성 중, 통수능력을 증가시키기 위한 대안의 하나로 지오그리드를 합성한 배수재의 특성에 대하여 논의하였다. 이를 위하여 KS K ISO 12958의 규정을 최대한 준수한 일반 및 합성 배수재 투수시험을 수행하였으며 기존의 연구방법과는 다르게 실제 숏크리트 및 콘크리트 라이닝 재료를 사용하여 시편을 제작한 후 외부 하중에 따른 각종 배수재의 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 숏크리트의 표면 거칠기에 따른 투수량 저감효과를 검증하기 위하여 ASTM D4716-08 및 KS K ISO 12958에 근거한 소규모 실내 실험장치를 제작하였으며, 배수효과를 증대시킬 수 있도록 일반 배수재 사이에 지오그리드를 접합한 합성 배수재의 특성을 살펴보았다. 실제 관련규격은 평평한 바닥면을 이용하여 층류 흐름을 유지한 후 배수재의 일반적인 특성을 파악하도록 규정되어 있으나, 본 연구에서는 숏크리트 표면의 특성을 검토하기 위하여 매끈한 표면 외에 거칠기가 관련 규정을 초과하는 경우에 대해서도 함께 고려하였다. 본 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 유추하였다.

가설 설정

3의 숏크리트에 가해지는 최대 응력은 #로 계산될 수 있고, 여기서 ν 및 σ_c는 각각 콘크리트의 포아송비 및 수직응력, 즉 자중을 의미한다. 콘크리트의 단위중량 및 포아송비를 2.3 t/m³ 및 0.17로 가정하면 10 m 높이의 라이닝 자중에 의한 숏크리트면내 최대 응력은 약 40 kPa에 이르나, 일반적으로 철도터널의 경우 콘크리트 라이닝은 수 회에 걸쳐 분할 시공되며 따라서 실제 실험에서는 분할시공의 영향과 실험장치의 변형 등을 고려하여 라이닝 높이 약 3 m에해당하는 약 12 kPa의 응력을 가정하였다. Table 2는 본 연구에서 수행한 매개변수별 시험 종류를 나타낸다.

제안 방법

1. 실제 터널내 숏크리트 및 콘크리트 라이닝의 표면 접촉부를 고려한 통수능 실험을 수행하기 위하여 소규모 실내 실험장치를 고안하였다. 실험장치는 시편의 두께에 따라 가변적으로 높이 조절이 가능하도록 조정장치를 추가하였으며 유입수의 외부 흐름을 최대한 차단하기 위하여 바닥면 방수 및 실리콘 방수처리를 수행하였다.
Table 2는 본 연구에서 수행한 매개변수별 시험 종류를 나타낸다. 각 실험은 다시 일반 배수재 및 지오그리드를 포함한 합성 배수재로 구별되어 총 72회의 시험을 수행하였다. 실험에 사용한 일반 배수재는 중량 400 g/m²인 단섬유 부직포(Geosynthetic, 이하 GS)이며, 합성 배수재(Geogrid Composite, 이하 GC)는 중량 300 g/m²인 단섬유 부직포 2겹 사이에 중량 364 g/m²의 지오그리드를 부착하여 사용하였다.
실험장치는 시편의 두께에 따라 가변적으로 높이 조절이 가능하도록 조정장치를 추가하였으며 유입수의 외부 흐름을 최대한 차단하기 위하여 바닥면 방수 및 실리콘 방수처리를 수행하였다. 또한 철도터널 라이닝 시공단계를 감안하여 최대 12 kPa에 상당하는 하중을 상재할 수 있는 장치를 함께 장착하였다. 한편 매끄러운 시편의 경우, 일반적인 통수능 시험 결과와 매우 유사한 결과를 나타내고 있으며 따라서 고안한 실험장치의 효용성을 입증할 수 있다.
마지막으로 유입수내에 포함되어 있는 토립자 및 지반보강재의 용탈현상을 규명하기 위하여 벤토나이트를 이용한 통수능 시험을 수행하였다. 이를 위하여 중량비 1%로 희석한 벤토나이트 희석액을 유입조에 투입하고 일부 거친 표면을 포함한 숏크리트 및 콘크리트 시편을 사용하여 통수능 시험을 수행하였다.
본 연구에서 고려한 통수능 실험의 변수는 동수구배, 외부 하중 및 표면 거칠기 등으로 구별할 수 있으며 일반 배수재 및 지오그리드 합성 배수재를 함께 고려하였다. 이 중 동수구배는 Fig.
1 cm인 강재 박스를 제작한 후 터널 시공현장에서 직접 타설하였다. 숏크리트 시편이 양생된 후표면에 비닐을 덮고 두께 0.1 cm의 콘크리트 거푸집용강재 박스를 상재하여 자중에 의한 재료간 표면 맞물림이 이루어질 수 있도록 콘크리트를 타설하였다. Fig 4는 숏크리트와 콘크리트 라이닝 표면을 나타내고 있으며 매끈한 표면, 일부 거친 표면 및 매우 거친표면 등 3 종류의 시편을 제작하여 관련 실험을 진행하였다.
수직응력에 의한 투수량 감소 경향을 자세히 파악하기 위하여 Fig. 6과 같이 수직응력에 따른 투수량의 변화를 살펴보았다. Fig.
이를 위하여 KS K ISO 12958의 규정을 최대한 준수한 일반 및 합성 배수재 투수시험을 수행하였으며 기존의 연구방법과는 다르게 실제 숏크리트 및 콘크리트 라이닝 재료를 사용하여 시편을 제작한 후 외부 하중에 따른 각종 배수재의 특성을 고찰하였다. 시험결과, 콘크리트라이닝 등에 의한 외부 하중 고려시, 기존 배수재에 비해 통수능력이 향상되었음을 알 수 있으며 벤토나이트를 이용한 토립자 유입현상에 대하여도 함께 고려하였다.
Fig 4는 숏크리트와 콘크리트 라이닝 표면을 나타내고 있으며 매끈한 표면, 일부 거친 표면 및 매우 거친표면 등 3 종류의 시편을 제작하여 관련 실험을 진행하였다. 실제 철도터널 시공현장에서는 록볼트 등에 의한 표면 돌기가 발생하는 경우, Fig. 4(d)와 같이 길이 (length) 대 깊이(depth)의 비가 7:1 이상으로 완만한 숏크리트면을 유지하도록 권고하고 있으며, 본 실험 에서는 거친 표면의 영향을 파악하기 위하여 길이대 깊이의 비가 5:1 인 시편을 제작하였다. 한편, 숏크리트, 배수재 및 콘크이트 라이닝으로 구성된 시편 조립체는 Fig.
유입구 및 유출구와 숏크리트 시편 상부에 위치한 배수재가 동일 평면상에 위치할 수 있도록 높이 조절이 가능한저판부를 함께 설계하였으며 외부 하중은 콘크리트 상부에 일정한 무게를 연속적으로 상재할 수 있도록 고려하였다. 실험 중 유입수가 외부로 유출되지 않도록 각 시편 주변은 실리콘으로 처리하였으며 배수재를 유입구측 수조 및 유출구측 수조에 일정길이 이상 삽입한 후 실리콘 처리하여 외부 유출수량을 최소화하였다.
실제 터널내 숏크리트 및 콘크리트 라이닝의 표면 접촉부를 고려한 통수능 실험을 수행하기 위하여 소규모 실내 실험장치를 고안하였다. 실험장치는 시편의 두께에 따라 가변적으로 높이 조절이 가능하도록 조정장치를 추가하였으며 유입수의 외부 흐름을 최대한 차단하기 위하여 바닥면 방수 및 실리콘 방수처리를 수행하였다. 또한 철도터널 라이닝 시공단계를 감안하여 최대 12 kPa에 상당하는 하중을 상재할 수 있는 장치를 함께 장착하였다.
3과 같은 정수위 통수시험 장치를 제작하였으며 온도시험용 환경챔버로 이동이 용이하고 수평조절이 가능한 바퀴를 추가하였다. 유입구 및 유출구와 숏크리트 시편 상부에 위치한 배수재가 동일 평면상에 위치할 수 있도록 높이 조절이 가능한저판부를 함께 설계하였으며 외부 하중은 콘크리트 상부에 일정한 무게를 연속적으로 상재할 수 있도록 고려하였다. 실험 중 유입수가 외부로 유출되지 않도록 각 시편 주변은 실리콘으로 처리하였으며 배수재를 유입구측 수조 및 유출구측 수조에 일정길이 이상 삽입한 후 실리콘 처리하여 외부 유출수량을 최소화하였다.
일반 배수재 및 지오그리드를 포함한 합성 배수재의 통수 특성을 확인하기 위하여 가능한 한 터널 시공 현장과 유사한 환경을 조성하고 실내실험을 수행하였다. 이를 위하여 Fig. 3과 같은 정수위 통수시험 장치를 제작하였으며 온도시험용 환경챔버로 이동이 용이하고 수평조절이 가능한 바퀴를 추가하였다. 유입구 및 유출구와 숏크리트 시편 상부에 위치한 배수재가 동일 평면상에 위치할 수 있도록 높이 조절이 가능한저판부를 함께 설계하였으며 외부 하중은 콘크리트 상부에 일정한 무게를 연속적으로 상재할 수 있도록 고려하였다.
본 연구에서는 앞서 언급한 배수재의 특성 중, 통수능력을 증가시키기 위한 대안의 하나로 지오그리드를 합성한 배수재의 특성에 대하여 논의하였다. 이를 위하여 KS K ISO 12958의 규정을 최대한 준수한 일반 및 합성 배수재 투수시험을 수행하였으며 기존의 연구방법과는 다르게 실제 숏크리트 및 콘크리트 라이닝 재료를 사용하여 시편을 제작한 후 외부 하중에 따른 각종 배수재의 특성을 고찰하였다. 시험결과, 콘크리트라이닝 등에 의한 외부 하중 고려시, 기존 배수재에 비해 통수능력이 향상되었음을 알 수 있으며 벤토나이트를 이용한 토립자 유입현상에 대하여도 함께 고려하였다.
마지막으로 유입수내에 포함되어 있는 토립자 및 지반보강재의 용탈현상을 규명하기 위하여 벤토나이트를 이용한 통수능 시험을 수행하였다. 이를 위하여 중량비 1%로 희석한 벤토나이트 희석액을 유입조에 투입하고 일부 거친 표면을 포함한 숏크리트 및 콘크리트 시편을 사용하여 통수능 시험을 수행하였다. 한편, 기존 문헌 및 터널 시공현장의 유입 토립자 관련자료가 부족함을 감안한 후 원활한 비교실험을 위하여, 벤토나이트 희석액의 중량비는 벤토나이트를 물에 희석하였을 때 투명도가 급격히 낮아지는 경우를 기준으로 정하였다.
일반 배수재 및 지오그리드를 포함한 합성 배수재의 통수 특성을 확인하기 위하여 가능한 한 터널 시공 현장과 유사한 환경을 조성하고 실내실험을 수행하였다. 이를 위하여 Fig.
이를 위하여 중량비 1%로 희석한 벤토나이트 희석액을 유입조에 투입하고 일부 거친 표면을 포함한 숏크리트 및 콘크리트 시편을 사용하여 통수능 시험을 수행하였다. 한편, 기존 문헌 및 터널 시공현장의 유입 토립자 관련자료가 부족함을 감안한 후 원활한 비교실험을 위하여, 벤토나이트 희석액의 중량비는 벤토나이트를 물에 희석하였을 때 투명도가 급격히 낮아지는 경우를 기준으로 정하였다. 초기 시험시 일반 배수재를 사용한 경우, 유출 수량이 극히 적어 수직응력은 2가지 경우에 대하여만 고려하였다.
한편, 터널 배수재로 유입되는 토립자의 영향을 파악하기 위하여 중량비 약 1%로 희석한 벤토나이트 용액을 사용하여 일반 배수재 및 합성 배수재의 통수 시험을 따로 수행하였다.

대상 데이터

1 cm의 콘크리트 거푸집용강재 박스를 상재하여 자중에 의한 재료간 표면 맞물림이 이루어질 수 있도록 콘크리트를 타설하였다. Fig 4는 숏크리트와 콘크리트 라이닝 표면을 나타내고 있으며 매끈한 표면, 일부 거친 표면 및 매우 거친표면 등 3 종류의 시편을 제작하여 관련 실험을 진행하였다. 실제 철도터널 시공현장에서는 록볼트 등에 의한 표면 돌기가 발생하는 경우, Fig.
3 m의 크기를 갖는 배수재 시편을 채택하였으며 유입구 및 유출구 내부에 배수재 일부가 겹치도록 재단하였다. 강섬유 보강 숏크리트 시편은 두께 0.1 cm인 강재 박스를 제작한 후 터널 시공현장에서 직접 타설하였다. 숏크리트 시편이 양생된 후표면에 비닐을 덮고 두께 0.
1(a)의 기존 일체형 방･배수재의 재료특성을 유지하고 지오그리드 및 배수재만 추가하거나, 기존 배수재의 단위중량을 줄이는 대신 두 겹의 배수재 및 지오그리드를 사용하는 방법이 가능하다. 본 연구에서 적용하는 지오그리드는 밀도 0.94 g/cm³ , 중량 364 g/m²이고, 작용압력 약 4 kPa에서 두께가 3.05 mm로서 길이방향으로 길쭉한 일반적인 다이아몬드 형상이다. 한편 배수재와 관련한 철도터널 시방서의 관련 규정을 만족시키기 위해서는 합성 배수재의 인장강도 등을 파악하여야 한다.
본 연구에서는 ASTM D4716-08에서 제안한 바와같이 0.3 m × 0.3 m의 크기를 갖는 배수재 시편을 채택하였으며 유입구 및 유출구 내부에 배수재 일부가 겹치도록 재단하였다.
각 실험은 다시 일반 배수재 및 지오그리드를 포함한 합성 배수재로 구별되어 총 72회의 시험을 수행하였다. 실험에 사용한 일반 배수재는 중량 400 g/m²인 단섬유 부직포(Geosynthetic, 이하 GS)이며, 합성 배수재(Geogrid Composite, 이하 GC)는 중량 300 g/m²인 단섬유 부직포 2겹 사이에 중량 364 g/m²의 지오그리드를 부착하여 사용하였다.

이론/모형

요철의 정량적인 변화는 Barton & Choubey (1977)의 암반절리 모형을 사용하였으며, 요철의 정도에 따른 배수재의 투수계수 변화를 제시하였다.
일반 배수재(GS) 와 합성 배수재(GC)의 통수능력을 확인하기 위하여 ASTM D4716에 기반한 유출량을 측정한 후, 다음의 식 (1)에 의해 수평 투수량을 산정하였으며 Fig. 5에 그 결과를 나타내었다. 식 (1)에 나타낸 단위 폭당 수평 투수량 q는 배수재 전체 폭에 걸쳐 일정한 층류(laminar) 흐름을 가정한 후 실험에 사용한 유입수의 온도보정을 거치게 된다.
(2002)은 외부 하중을 변수로 다양한 시험법을 적용한 후 배수재용 부직포의 특성을 규명하였으며 외부하중이 큰 경우, 부직포의 불균질성을 고려하도록 제안하였다. 한편, Murillo et al. (2014)은 숏크리트 및 콘크리트 라이닝 접촉부의 요철을 고려하기 위하여 가공한 요철판 및 부직포로 구성된 시편 상부에 신축성 막(membrane)을 이용한 하중을 가하고 ASTM D4716-08의 시험법을 적용하였다. 요철의 정량적인 변화는 Barton & Choubey (1977)의 암반절리 모형을 사용하였으며, 요철의 정도에 따른 배수재의 투수계수 변화를 제시하였다.

성능/효과

또한 수평 투수량은 Fig. 6(a)와 같이 표면이 매끄러운 경우 일정한 경향을 보이고 있으나 표면에 일부 굴곡이 있는 경우에는 투수량이 줄어들다가 굴곡이 현저해지면 특정 관로를 따라 흐름이 집중되는 현상도 함께 관찰되었다. 이 경우, 일반 배수재를 적용하면 굴곡이 심해짐에 따라 전체 투수량이 감소하는 반면, 합성 배수재의 경우에는 일정부분 감소하다가 외부 압력 증가에 따라 투수량이 매끈한 표면의 경우와 유사하게 발생함을 알 수 있으며 이는 합성 배수재내 포함된 지오그리드 압축현상과 관계가 있을 것으로 보인다.
이 경우, Fig. 1(a)의 기존 일체형 방･배수재의 재료특성을 유지하고 지오그리드 및 배수재만 추가하거나, 기존 배수재의 단위중량을 줄이는 대신 두 겹의 배수재 및 지오그리드를 사용하는 방법이 가능하다. 본 연구에서 적용하는 지오그리드는 밀도 0.
2. 숏크리트의 표면이 매끄러운 경우에는 전형적인 수직응력-투수량 및 동수구배-투수량 곡선을 얻을 수 있었으며 지오그리드를 포함한 복합 배수재의 경우, 일반 배수재에 비해 통수단면 비가 약 1.6임에도 불구하고 2배 이상의 통수능을 확보할 수 있었다.
3. 숏크리트 표면의 거칠기가 커질수록 층류흐름보다 관로흐름의 경향을 보이고 있으며 이로 인해 수직응력이 증가할수록 투수량이 증가하는 현상도 관찰되었다. 이 경우에도 복합 배수재의 통수능은 일반 배수재에 비해 2배 이상의 효과를 거둘 수 있음을 알 수 있으며, 따라서 숏크리트 표면이 매우 거칠고 지하수의 유입이 많은 곳에서는 효과가 클 것으로 예상된다.
4. 터널내 유입 토립자의 영향을 고려하기 위하여 중량비 1%인 벤토나이트 희석용액을 이용한 통수능 실험을 수행하였으며 이 결과, 일반 배수재는 수직응력에 관계없이 실험 초기에 폐색현상이 발생하였다. 반면 지오그리드를 이용한 복합 배수재의 경우, 투수량이 약 1/2로 감소하는 현상이 발생하였으나 전반적으로 투수성능에는 문제가 없음을 알 수 있었다.
5(a)는 숏크리트 표면이 매끄러운 경우, 동수구배 증가에 따른 투수량의 변화를 나타낸다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 동수구배가 증가할수록, 일반 배수재의 투수량은 선형적으로 증가하는 반면, 합성 배수재의 투수량은 비선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있으며 따라서 동수구배에 따른 합성 배수재의 효용성을 입증할 수 있다. 수직응력이 증가하는 경우 에는 전체적인 투수량이 하중에 따라 감소하는 경향을 보인다.

후속연구

앞서 언급한 바와 같이 숏크리트의 표면 거칠기가 일정 수준을 넘어서는 경우에는 방수막 및 배수재의 손상뿐만 아니라 유입수가 일부 유로를 따라 집중하는 현상이 발생가능하며 따라서 전반적인 터널 배수 체계에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 향후에는 숏크리트의 표면 굴곡과 관련하여 다양한 매개변수 실험이 이루어 질 예정이며 이를 토대로 숏크리트 표면거칠기에 대한 관련 설계 및 시방규정을 개정할 수 있을 것으로 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배수시스템 설계시 고려하여야 하는 점은?	일반적으로 배수시스템 설계시 유입수가 많은 곳에 서는 배수재를 두 겹으로 설치하거나 드레인보드 등의 유도배수를 시행하게 된다. 그러나 용수가 많은 개소의 경우, 외부 압력 등으로 인한 배수재의 압착, 지반보강재의 용탈 및 토립자 등에 의한 배수재의 폐색 등이 동반되는 경우가 있으므로 이를 함께 고려하여야 한다. 또한 터널 입출구부의 경우, 외기 온도에 의해 라이닝 배면의 유입수가 결빙되는 경우가 발생 가능하므로 이에 대한 대책이 요구된다. 한편 최근 유럽에서는 양호한 암반내 터널시공시 앞서 언급한방･배수시스템 설치를 대신하여 뿜어붙임식 방수재 (Holter, 2014)를 적용한 사례가 보고된 바 있으며 터널 상부의 비배수 조건을 감안하더라도 뿜어붙임식 방수재 주변의 수압증가가 무시할 수 있을 정도인 것으로 확인되었다.
	철도터널의 방수재 및 배수재의 목적은?	철도터널의 방수재 및 배수재는 각각 터널 원주면으로 유입되는 유입수를 차단한 후 터널 측벽 하단으로 유도하여 외부로 유출시키는 목적으로 설치하며, 일부 특수구간을 제외하고는 방수재와 배수재를 사전에 접합한 일체형 방･배수재가 점진적으로 적용되고 있다. 일체형 방･배수재는 현장에서 방수재와 배수재를 접합하여야 하는 불편함을 최소화하는 한편 접합부 품질관리 측면에서도 장점으로 부각되고 있다.
	일체형 방･배수재의 장점은?	철도터널의 방수재 및 배수재는 각각 터널 원주면으로 유입되는 유입수를 차단한 후 터널 측벽 하단으로 유도하여 외부로 유출시키는 목적으로 설치하며, 일부 특수구간을 제외하고는 방수재와 배수재를 사전에 접합한 일체형 방･배수재가 점진적으로 적용되고 있다. 일체형 방･배수재는 현장에서 방수재와 배수재를 접합하여야 하는 불편함을 최소화하는 한편 접합부 품질관리 측면에서도 장점으로 부각되고 있다. 철도터널용 방수재의 공학적 특성에 대해서는 관련 규정(KRNA, 2013a)에 비교적 자세히 기술되어 있으나 배수재의 경우에는 선언적인 개념들이 나열되어 있다.

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